Instalación mixta de autoconsumo energético en una granja aislada

Abstract

El presente trabajo de fin de grado recoge el diseño y viabilidad económica de una instalación híbrida de autoconsumo mediante energía eólica y solar fotovoltaica para alimenta una sociedad agropecuaria aislada. La granja objetivo de estudio se encuentra en el Término Municipal de Cortes, en Navarra. Palabras clave: Autoconsumo, Energía solar fotovoltaica, Energía eólica, Aerogenerador, Módulo fotovoltaico, Sistema de acumulación, Inversor autónomo, PVsyst. 1. Introducción La Unión Europea, basándose en los requerimientos del Acuerdo de París alcanzado en 2015, determina el marco de la política energética y climática en España con el fin de responder de manera coordinada e internacional al reto de la crisis climática. Las medidas tomadas a cabo por España vienen recogidas en su Plan Nacional Integrado de Energía y Clima 2021-2030 (PINEC). Este plan, tiene como objetivo alcanzar cuatro niveles de mejora concretos con el fin de reducir las emisiones y mejorar la eficacia y despliegue de las energías renovables. Entre los objetivos del plan mencionado se encuentra alcanzar un 42% de renovables sobre el uso final de la energía y un 74% de energía renovable en la generación eléctrica. [1] Por tanto, el presente proyecto de fin de grado pretende contribuir al acercamiento a estos porcentajes mediante la ampliación del concepto de las instalaciones de autoconsumo aisladas a aquellos establecimientos que demanden una alta potencia. 2. Definición del Proyecto El presente proyecto consiste en el diseño de una instalación de autoconsumo híbrida solar fotovoltaica y eólica para abastecer una Sociedad agropecuaria que se encuentra aislada de la red eléctrica. El objetivo del Proyecto se basa en estudiar el dimensionamiento de un sistema híbrido para autoconsumo aislado de la red y llevar el concepto del autoconsumo a establecimientos aislados de gran demanda energética. Para analizar el emplazamiento se ha estudiado la demanda energética de la granja de cara a comprobar el cumplimiento del Segundo objetivo del Proyecto, se ha realizado bajo la hipótesis de una ubicación lo suficientemente lejana de un punto de conexión a una red de distribución eléctrica y se ha analizado el recurso solar y eólico, ya que ambos deben ser adecuados para poder llevar a cabo la instalación. El dimensionamiento de la instalación se divide en tres puntos, en primer lugar, la instalación eólica se ha diseñado mediante la obtención de la función de densidad de la velocidad del viento utilizando la distribución de Weibull. El resto de la instalación se ha dimensionado realizando dos simulaciones distintas mediante la herramienta “PVsyst”, una de ellas para dimensionar los módulos fotovoltaicos y otra, del doble de potencia, para el dimensionamiento del sistema de acumulación, regulador de carga e inversores. Por último, se realiza un estudio aproximado de la viabilidad económica del Proyecto mediante el cálculo de los parámetros financieros VAN (Valor Actual Neto) y TIR (Tasa Interna de Retorno). 3. Descripción de la instalación La instalación de autoconsumo diseñada consiste en un sistema de generación híbrido con una potencia pico instalada total de 381kWp y con una capacidad de producción anual aproximada de 595.682,2 kWh. Los elementos principales que componen la instalación son: • Generador fotovoltaico: Constituido por 544 módulos fotovoltaicos de 405Wp y una estructura soporte con una inclinación de 58º que sustenta los módulos al tejado de la granja con una inclinación fija. • Generador eólico: Dos aerogeneradores de 60kW de potencia nominal y una altura de buje de 28 metros, no contienen ni regulador de carga ni inversor, ya que estos elementos se encuentran conectados posteriormente conforme a la potencia total de la instalación. • Sistema de acumulación de energía: Banco de baterías compuesto por 1.320 unidades reuniendo una capacidad total de 80.762Ah. Este sistema ha sido dimensionado para tener una autonomía de 4 días con un PLOL aceptado del 5%. • Regulador de carga: Conectado al sistema de baterías para su protección. Se trata de un convertidor MPPT de potencia nominal 417.312 kW. • Inversores: Se dimensionan para una potencia nominal de 340kW, escogiéndose una combinación de 17 inversores de 20kW cada uno. 4. Resultados • Tras el análisis del emplazamiento y la demanda energética del establecimiento, se obtiene una instalación híbrida con una potencia total de 381kWp instalados, repartidor entre generadores eólicos y generadores fotovoltaicos. • Con una inversión total de 1.564.991,36 euros y un coste anual de mantenimiento de 381 euros, el estudio de viabilidad económico obtiene valores positivos, con un TIR del 1%. Conclusiones El diseño de una instalación de autoconsumo aislada de gran potencia se encuentra con el inconveniente de no tener un mercado de equipos principales tan desarrollado como con el que cuentan las instalaciones de autoconsumo de menor potencia. Además, se observa que la introducción de la energía eólica en una instalación de autoconsumo reduce el sobredimensionamiento al contar con un recurso mas constante y evitar de esta manera sobredimensionar la instalación para cubrir las necesidades en los meses más desfavorables. 6. Referencias [1] Ministerio para la Transición Ecológica. (2020). PLAN NACIONAL INTEGRADO DE ENERGÍA Y CLIMA 2021-2030

This final degree thesis deals with the design and economic viability of a hybrid self consumption installation using wind and solar photovoltaic energy to power an isolated agricultural society. The farm under study is located in the municipality of Cortes, in Navarra. Keywords: Self-consumption, Photovoltaic solar energy, Wind energy, Wind turbine, çphotovoltaic module, Storage system, Stand-alone inverter, PVsyst. 1. Introduction The European Union, based on the requirements of the Paris Agreement reached in 2015, determines the framework for energy and climate policy in Spain in order to respond in a coordinated and international manner to the climate challenge crisis. The measures taken by Spain are set out in its National Integrated Energy and Climate Plan 2021-2030 (PINEC). This plan aims to achieve four specific levels of improvement in order to reduce emissions and improve the efficiency and deployment of renewable energies. Among the objectives of the plan is to reach a 42% share of renewables in energy end use and 74% share of renewable energy in electricity generation. [1] Therefore, this end-of-degree project aimsto contribute to approaching these percentages by extending the concept of isolated self-consumption installations to those establishments that demand high power. 2. Project definition This project consists of the design of a hybrid solar photovoltaic and wind self consumption installation to supply an agricultural company that is isolated from the electricity grid. The aim of the project is to study the sizing of a hybrid system for off grid self-consumption and to bring the concept of self-consumption to isolated establishments with high energy demand. In order to analyze the site, the farm's energy demand has been studied to verify compliance with the second objective of the project, which has been carried out under the hypothesis of a location sufficiently far from a connection point to an electricity distribution network and the solar and wind resource has been analyzed, as both must be suitable for the installation to be carried out. The sizing of the installation is divided into three points. Firstly, the wind power installation has been designed by obtaining the wind speed density function using the Weibull distribution. The rest of the installation has been dimensioned by carrying out two different simulations using the "PVsyst" tool, one of them to dimension the photovoltaic modules and the other, twice the power, for the dimensioning of the accumulation system, charge regulator and inverters. Finally, an approximate study of the economic viability of the project is carried out by calculating the financial parameters NPV (Net Present Value) and IRR (Internal Rate of Return). 3. Description of the installation The designed self-consumption installation consists of a hybrid generation system with a total installed peak power of 381kWp and an annual production capacity of approximately 595,682.2 kWh. The main elements that make up the installation are: • Photovoltaic generator: Consisting of 544 photovoltaic modules of 405Wp and a support structure with an inclination of 58º that supports the modules to the roof of the farm with a fixed inclination. • Wind turbine generator: Two wind turbines with a rated output of 60 kW and a hub height of 28 metres, neither charge regulator nor inverter, as these elements are connected downstream in accordance with the total output of the installation. • Energy storage system: Battery bank consisting of 1,320 units with a total capacity of 80,762Ah. This system has been dimensioned to have an autonomy of 4 days with an accepted PLOL of 5%. • Charge controller: Connected to the battery system for protection. This is an MPPT converter with a rated power of 417.312 kW. • Inverters: They are sized for a nominal power of 340kW, choosing a combination of 17 inverters of 20kW each. 4. Results • After analysing the site and the energy demand of the establishment, a hybrid installation is obtained with a total installed power of 381kWp, divided between wind generators and photovoltaic generators. • With a total investment of 1,564,991.36 euros and an annual maintenance cost of 381 euros, the economic viability study obtains positive values, with an IRR of 1%. Conclusions The design of a large-scale isolated self-consumption installation has the disadvantage of not having a market for main equipment as developed as that of smaller-scale self consumption installations. In addition, it is observed that the introduction of wind energy in a self-consumption installation reduces over-sizing by having a more constant resource and thus avoiding over-sizing the installation to cover needs in the most unfavourable months. 6. References [1] Ministerio para la Transición Ecológica. (2020). PLAN NACIONAL INTEGRADO DE ENERGÍA Y CLIMA 2021-2030.